Дираковские материалы позволили эффективно преобразовывать сигналы в терагерцовом диапазоне при комнатной температуре

Исследователи из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) продемонстрировали, что слабые радиосигналы можно эффективно преобразовывать в значительно более высокие терагерцовые частоты с помощью ультратонких дираковских материалов, и делать это при комнатной температуре. Это открывает перспективы для будущих поколений мобильной связи (вплоть до 6G и 7G) и высокоточной сенсорной техники.

Исследовательница Татьяна Аурелия Уаман Светикова на источнике терагерцового излучения TELBE. Автор: Oliver Killig/HZDR

Для передачи больших объёмов данных требуются высокие несущие частоты. Классическая радиоэлектроника приближается к своим пределам, поэтому наука осваивает терагерцовый диапазон, который до сих пор был технологически труднодоступен.

«В настоящее время повышение частот до терагерцового диапазона и работа с ними очень неэффективны», — поясняет доктор Георгий Астахов, руководитель отдела квантовых технологий HZDR. Высокочастотные сигналы требуют усиления и стабилизации, что до сих пор было энергозатратным и сложным.

Команда использовала для эксперимента сверхтонкую плёнку теллурида ртути — материала, в котором электроны движутся так, будто почти не имеют массы, и чрезвычайно быстро реагируют на электромагнитные поля. Это свойство делает их идеальными для ускорения или смешивания сигналов.

Преобразование широкополосного суб-терагерцового сигнала при комнатной температуре. Автор: Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02273-0

«Решающим моментом в нашей работе было, когда мы явно увидели сигнал при комнатной температуре, — говорит аспирант HZDR и ведущий автор исследования Татьяна Аурелия Уаман Светикова. — Это особенно сложно, потому что сигнал легко теряется в фоновом шуме». Ранее подобные эксперименты всегда требовали охлаждения до экстремально низких температур.

Эффективность преобразования, достигнутая командой, составила более 2%, что является необычно высоким значением для терагерцового диапазона. Предыдущие подходы часто демонстрировали эффективность на уровне 0,01–0,1%.

Эксперименты проводились в Центре источников высокомощного излучения ELBE, где учёные с высокой точностью комбинировали два терагерцовых сигнала. Контролируемая суперпозиция позволила измерить значительное преобразование.

«Дираковские материалы могут эффективно преобразовывать слабые радиосигналы в более высокие терагерцовые диапазоны, — объясняет Георгий Астахов. — Однако перед применением в компонентах необходима дальнейшая разработка». Следующим шагом команды станет усовершенствование структур и их перенос в различные материальные системы, чтобы исследовать возможность интеграции таких терагерцовых смесителей в реальные схемы.

Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.